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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bearbeitungsvorrichtung, mit einem Behälter, in dem ein Schleifmedium angeordnet ist. Das Schleifmedium besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl fester Körper und einer Prozessflüssigkeit. In das Schlelfmedium ist zumindest zum Teil ein Werkstück eingetaucht. Das Schleifmedium sowie der Behälter stehen bei einer derartigen Bearbeitungsvorrichtung still, während das Werkstück bewegt wird. Übliche Bewegungsbahnen eines Werkstücks sind beispielsweise eine Drehung des Werkstücks um eine vertikale Achse sowie eine weitere Bewegung der Achse, beispielsweise auf einer kreisförmigen Bahn. Durch die überlagerten Bewegungen ergibt sich eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und dem Schleifmedium. Die
DE 10 2009 021 824 A1 bildet den nächstkommenden Stand der Technik.
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Die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung ist insbesondere für Bauteile von Gasturbinen einsetzbar, beispielsweise für die Fertigung von Verdichter- und Turbinenscheiben.
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Bei der mechanischen Fertigung von Verdichter- und Turbinenscheiben müssen nach den Bearbeitungsverfahren Fräsen, Räumen bzw. Schleifbearbeitung komplexe Kantengeometrien entgratet und anschließend definiert verrundet werden. Die hohen Qualitätsanforderungen in Verbindung mit der Geometriekomplexität führen dazu, dass die meisten Teile durch manuelle Schleifarbeit entgratet und verrundet wurden.
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Der Stand der Technik zeigt unterschiedliche Verfahren zum Kantenentgraten, die auf der Verwendung von speziellen Entgratwerkzeugen (Fräser, Bürsten, Feile und andere manuelle Schleifwerkzeuge) basieren.
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Die Verfahren (Tauchschleifen, Schleppschleifen, Gleitschleifen), bei denen die Bearbeitung von einem Werkstück in einem mit Polier/Schleifmittel (ungebundenen Abrasivkörner) gefülltem Behälter durch eine relative Bewegung erfolgt, sind grundsätzlich bekannt. Diese Verfahren wurden primär zum Polieren der Werkstückoberfläche entwickelt. Das Werkstück wird dabei mit einer Bewegungseinheit in das Polier/Schleifmedium hineingefahren und in diesem mit einer zyklischen Bewegung bearbeitet. Während der Bearbeitung steht der Trog still und das Medium befindet sich in Ruhe. Durch den Widerstand, den das ruhende Medium dem Werkstück entgegensetzt, entsteht ein abrasiver Effekt, der zum Polieren der Oberfläche führt.
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Diese Polierbearbeitung des Werkstückes erfolgt somit durch unterschiedliche Bewegung des Werkstücks im abrasiven Medium. Dazu zählt eine Oszillationsbewegung, eine Rotationsbewegung und/oder eine Kombination von diesen Bewegungsarten.
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Unterschiedliche Rotationssymmetrische Bauteile, beispielweise Fahrzeugfelgen, können mit diesem Verfahren maschinell poliert werden. Das Ziel dieser Bearbeitung ist die Schaffung einer geringeren Rauhigkeit der Oberfläche und die Verbesserung des optischen Aussehens des Werkstückes.
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Das Tauchschleifen (Schleppschleifen), als alternative automatisierte Schleif- und Poliertechnologie, ist seit Jahrzehnten bekannt. Die Literatur bezieht sich auf das Verfahren und entsprechende Anlagen, die nur zum Schleifen/Polieren der Werkstückoberfläche verwendet werden. Es wird keine Kombination von Entgrat-, Verrundung-, Polier- und Verfestigungsverfahren beschrieben. Außerdem ist die Anwendung des Verfahrens für rotationssymmetrische Triebwerksbauteile wie Kompressor- und Turbinenscheiben in der Literatur nicht bekannt.
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Die rotierende Bewegung von Werkstücken, insbesondere rotationssymmetrischen Werkstücken in einer horizontalen Ebene bei dem oben beschriebenen Tauchschleifvorgang hat einen wesentlichen Nachteil. Das Schleifmedium füllt beim Eintauchen des Werkstücks geschlossene, konkave Räume, beispielsweise Räume zwischen einem Flansch und einer Rotationsachse. Bei der nachfolgenden Bewegung des Werkstücks relativ zu dem Schleifmedium werden diese Volumenbereiche des Schleifmediums jedoch nicht bewegt und verbleiben somit starr. Da das Schleifmedium keine Bewegung relativ zu der Oberfläche des Werkstücks hat, tritt dort kein schleifender Effekt auf. Einige Bereiche des Werkstücks, beispielsweise Flanschbohrungen, Flanschkanten oder Ähnliches, können somit nicht bearbeitet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und die Bearbeitung von Hinterschnitten, Kavitäten, konkaven Bereichen oder Ähnlichem ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmalskombination des Anspruches 1, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zusätzlich ein Bewegungsteil, ähnlich einem Rührteil, angrenzend zu dem Werkstück in dem Behälter angeordnet ist. Das Bewegungsteil ist zusätzlich bewegbar und weist zumindest zwei unterschiedlich dimensionierte Rührarme auf, welche in Kontakt mit dem Schleifmedium sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erfolgt somit, zusätzlich zu der Bewegung des Werkstücks, eine zusätzliche Bewegung, welche das Schleifmedium umwälzt. Da somit eine zusätzliche Bewegung des Schleifmediums erfolgt, kann das Schleifmedium auch in Bereichen, in denen durch die Bewegung des Werkstücks selbst keine Relativbewegung zu dem Schleifmedium erfolgen würde eine Relativbewegung aufbringen. Es werden somit Toträume, Hinterschnitte oder Ähnliches, zuverlässig bearbeitet.
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In günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkstück zumindest einen konkaven Bereich aufweist, welcher ein Totvolumen bildet. Dieser konkave Bereich kann beispielsweise einen Hinterschnitt, einen Innenbereich eines Flansches, eine Ausnehmung, eine Bohrung oder Ähnliches darstellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bewegungsteil mit zumindest einem Rührarm in den konkaven Bereich ragt bzw. in diesem angeordnet ist. Hierdurch erfolgt eine Umwälzung des Schleifmediums in diesem Bereich, um die Oberfläche dieses Bereiches zu bearbeiten.
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In günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass das Werkstück rotationssymmetrisch ausgebildet ist, insbesondere eine Kompressorscheibe oder eine Turbinenscheibe einer Gasturbine ist und um seine Mittelachse drehbar und/oder bewegbar ist und dass das Bewegungsteil zumindest einen, eine Außenkontur des Werkstücks übergreifenden ersten Rührarm und zumindest einen in den konkaven Bereich des Werkstücks eingebrachten zweiten Rührarm umfasst.
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Dabei ist es besonders günstig, wenn das Bewegungsteil ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet ist und mit seiner Mittelachse in der Mittelachse des Werkstücks angeordnet ist. Es ist somit möglich, das Bewegungsteil auf das Werkstück aufzusetzen und gegebenenfalls mit derselben Antriebsvorrichtung anzutreiben, die auch zum Antrieb und zur Bewegung des Werkstücks selbst vorgesehen ist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen zwei Rührarme, welche bevorzugterweise unterschiedlich lang ausgebildet sind, erfolgt eine zuverlässige Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Schleifmedium. Es wird somit verhindert, dass sich Totbereiche bilden, in welchen keine derartige Relativbewegung vorliegt.
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In vorteilhafter Weise ist das Bewegungsteil so ausgestaltet, dass dieses drei erste Rührarme und drei zweite Rührarme umfasst, wobei die ersten Rührarme länger ausgebildet sind, als die zweiten Rührarme. Die längeren Rührarme umgreifen somit das Werkstück, während die zweiten, kürzeren Rührarme in dem Totvolumen (konkaver Bereich) angeordnet sind.
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Zur Aufbringung der erfindungsgemäßen Relativbewegung ist es günstig, das Bewegungsteil relativ zu dem Werkstück zu bewegen, bevorzugt in einer Rotationsbewegung und/oder einer Longitudinalbewegung. Somit können die Rührarme eine dreidimensionale Bewegungsbahn ausführen, welche zu einer zuverlässigen Oberflächenbearbeitung führen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks mit einer Vorrichtung, so wie diese oben stehend beschrieben wurde. Gemäß dem Verfahren wird das Werkstück in dem Behälter angeordnet und in das Schleifmedium eingetaucht und relativ zu dem Behälter und dem Schleifmedium bewegt, wobei zusätzlich das Bewegungsteil in das Schleifmedium eingebracht wird und relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Verfahrensgemäß wird zumindest einer der Rührarme des Bewegungsteils in den konkaven Bereich (Totraum) des Werkstücks eingeführt und dort bewegt.
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Erfindungsgemäß werden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, die gleichzeitig zum Entgraten- und Verrunden von scharfen Werkstückkanten, zur partiellen Verfestigung und zur Glättung der Oberfläche von geometrisch komplexen rotationssymmetrischen Bauteilen eingesetzt werden können.
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Im Speziellen wird die Bearbeitung von geschlossenen Räumen eines rotationssymmetrischen, scheiben- und/oder ringförmigen einstufigen oder mehrstufigen Kompressor- und Turbinenbauteils in einer Tauchschleifeinrichtung ermöglicht.
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In einer Spannvorrichtung fixierte Werkstücke werden dabei mit einer Bewegungseinheit in das Schleifmedium hineingefahren und in diesem mit einer zyklischen Bewegung bearbeitet. Während der Bearbeitung steht der Trog und das Schleifmedium befindet sich in Ruhe.
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Die erfindungsgemäße Bewegungseinheit gewährleistet ein regelmäßiges und sicheres Eintauchen in das Schleifmedium. Die Bewegung des Werkstückes im Schleifmedium erfolgt durch rotierende oder alternierende Bewegungen des Werkstücks um seine Achse und/oder gleichzeitige unabhängige Bewegung der Vorrichtungsachse mit dem Werkstück um das Zentrum des Bearbeitungstrogs. Die Bewegungseinheit ermöglicht unterschiedliche Bewegungen des Werkstückes im Schleifmedium (rotierend und oszillierend) mit variierter Drehgeschwindigkeit und Eintauchtiefe.
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Die Mischvorrichtung ist frei auf der Fixier-Bewegungseinheit (Drehachse) eingebaut. Die Vorrichtung ist nicht fest mit der Drehachse verbunden. Aufgrund dieses Aufbaus besitz die Mischvorrichtung einen Freiheitsgrad gegenüber der Drehachse in der horizontalen Ebene.
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Bei der Behandlung des Werkstücks in der erfindungsgemäßen Anlage bewegt sich die Mischvorrichtung mit einer anderen Geschwindigkeit gegenüber der Fixier-Bewegungseinheit. Diese relative Bewegung der Mischvorrichtung setzt das Schleifmedium in geschlossenen Räumen in eine Bewegung hinsichtlich der Bauteiloberfläche, was seinerseits zu einem polierenden und schleifenden Effekt führt.
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Dieses Behandlungsverfahren kann in Abhängigkeit der Geometrie des zu behandelten Werkstücks konstruktiv unterschiedlich gelöst werden.
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Erfindungsgemäß ergeben sich somit folgende Vorteile:
- – maschinelles Kantenentgraten und Kantenverrunden,
- – unterschiedliche Polier- und Verfestigungseffekte durch eine Bewegung des Werkstücks im Schleifmedium sind einstellbar,
- – Zeit- und Kostenersparnis,
- – Ermöglichen der Bearbeitung einer Vielzahl einzelner Kompressor- und Turbinenscheiben mit geschlossenen Räumen,
- – durch Behandlung hervorgerufene höhere Oberflächengüte und optimierter Eigenspannungsverlauf in der Werkstückoberfläche, Erhöhung der Dauerfestigkeit.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung mit einem Werkstück und einem Bewegungsteil, und
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2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bewegungsteils.
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Die 1 zeigt ein rotationssymmetrisches Werkstück 1, welches beispielsweise in Form einer Kompressorscheibe oder einer Turbinenscheibe einer Gasturbine ausgebildet ist. Das Werkstück 1 ist in einem Behälter 2, welcher mit einem Schleifmedium (Behandlungsmedium) 3 gefüllt ist, angeordnet und in das Schleifmedium 3 eingetaucht. Das Werkstück 1 wird mittels einer Halterung 11 an einer Antriebsvorrichtung 4 gehalten. Die Antriebsvorrichtung 4 ist nur schematisch dargestellt, sie umfasst einen Schaft 12, welcher, wie in 1 dargestellt, sowohl drehbar als auch längs seiner Mittelachse 9, welche zugleich die Mittelachse des Werkstücks 1 ist, bewegbar ist. Das Werkstück 1 wird somit um die Mittelachse 9 gedreht, zusätzlich kann die Mittelachse 9 auf einer Kreisbahn (nicht dargestellt) oder einer ähnlichen Bewegungsbahn bewegt werden, so dass sich eine Relativbewegung zwischen dem Schleifmedium 3 und der Oberfläche des Werkstücks 1 ergibt.
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Das Werkstück 1 weist einen zentrischen konkaven Bereich (Totraum) 8 auf. In diesem konkaven Bereich 8 ragt ein zweiter Rührarm 7 eines Bewegungsteils 5. Ein erster Rührarm 6 des Bewegungsteils 5 ist so angeordnet, dass er den Außenbereich des Werkstücks 1 übergreift. Der erste Rührarm 6 ist länger ausgebildet, als der zweite Rührarm 7.
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Die 2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bewegungsteils 5. Dieses umfasst gemäß 2 drei längere Rührarme 6 sowie drei kürzere zweite Rührarme 7. Das Bewegungsteil 5 ist rotationssymmetrisch ausgebildet, seine Mittelachse ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Das Bewegungsteil 5 weist einen Flansch 13 auf, welcher um den Schaft 12, welcher das Werkstück 1 lagert, angeordnet ist und diesen umschließt. Somit kann das Bewegungsteil 5 an dem Schaft 12 gelagert werden, ohne dass zusätzliche Lagerungselemente oder Halteelemente erforderlich sind. Mittels eines eigenen, nicht dargestellten Antriebs wird das Bewegungsteil 5 in eine Relativbewegung um seine Mittelachse 10 versetzt und dreht sich somit relativ zu dem Werkstück 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Behälter
- 3
- Schleifmedium/Behandlungsmedium
- 4
- Antriebsvorrichtung
- 5
- Bewegungsteil
- 6
- erster Rührarm
- 7
- zweiter Rührarm
- 8
- konkaver Bereich/Totraum
- 9
- Mittelachse/Werkstück
- 10
- Mittelachse/Bewegungsteil
- 11
- Halterung
- 12
- Schaft
- 13
- Flansch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021824 A1 [0001]
